基于Labview的振動測試分析系統(tǒng)的研究

林喜鑒

（福建省計量科學研究院,福建 福州 350003）

基于Labview的振動測試分析系統(tǒng)的研究

林喜鑒

（福建省計量科學研究院,福建 福州 350003）

由于傳統(tǒng)振動測試分析系統(tǒng)價格昂貴、操作復雜、大量測試功能浪費等缺點，文中基于振動計量領(lǐng)域的測試需求，以NI USB-6366便攜式8通道同步采集模塊和Labview 8.2軟件為平臺，對多通道振動信號測試分析系統(tǒng)進行研究，以實現(xiàn)振動測試的基本功能。

振動測試；虛擬儀器；同步采集；Labview

1 概述

隨著振動測試技術(shù)理論的發(fā)展，以及工業(yè)生產(chǎn)對振動測試的大量需求，振動測試分析系統(tǒng)在機械、電力、石化、建筑和航空航天等行業(yè)中有著廣泛應用。但是，成本低廉、簡單可靠、擴展性強的振動測試系統(tǒng)卻很少。尤其在國內(nèi)振動計量測試領(lǐng)域中，各計量技術(shù)機構(gòu)大量采用丹麥B&K公司的pulse（3560B、3560C、3160A）振動分析系統(tǒng)。這些傳統(tǒng)專業(yè)測試系統(tǒng)在應用中都存在不足之處，比如價格昂貴、操作復雜、擴展性較差、大量測試功能浪費等。但伴隨著虛擬儀器技術(shù)在振動測試領(lǐng)域中的快速發(fā)展，采用虛擬儀器實現(xiàn)的振動測試與分析系統(tǒng)具有操作性好，用戶可根據(jù)實際測試需求定制測量功能，性價比高等優(yōu)點[1]。

因此，文中基于振動計量領(lǐng)域的測試需求，以NI USB-6366便攜式8通道同步采集模塊和Labview軟件為平臺，對多通道振動信號測試分析系統(tǒng)進行研究，以實現(xiàn)振動測試與分析的基本功能。

2 系統(tǒng)的總體組成

該振動測試分析系統(tǒng)由振動傳感器及信號調(diào)理電路、NI USB-6366數(shù)據(jù)采集卡、PC電腦及運行在PC電腦上的Labview軟件平臺組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 振動測試分析系統(tǒng)的組成圖

硬件部分由振動傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和PC電腦構(gòu)成。振動傳感器將所測的振動信號轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電荷信號傳給信號調(diào)理電路進行縮放、濾波、多路復用等處理，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換、放大等，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由運行在PC上的振動測試分析Labview軟件進行分析。

其中，系統(tǒng)硬件中核心的數(shù)據(jù)采集卡選用美國NI公司的 USB-6366，其擁有8路同步模擬輸入通道，2路模擬輸出通道，最大模擬輸入輸出電壓為±10V，最高采樣率達2MS/s[2]。

軟件部分所實現(xiàn)的振動測試分析系統(tǒng)的主要功能包括以下：

（1）信號采集：對多通道振動信號進行高速同步采集，包括對物理通道、采樣率、濾波、量程等參數(shù)設(shè)置。

（2）波形分析：對所采集的多通道信號進行時域和頻域分析，顯示加速度、速度、位移信號波形，并實時測量振動信號的頻率、幅值、相位、失真等參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)處理：對所測的振動信號（頻率、幅值、相位等）進行二次分析計算，以得出各測量領(lǐng)域所需要的數(shù)據(jù)。

（4）存儲輸出：對管理信息及所測數(shù)據(jù)進行固定格式排版后存儲。

3 Labview系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用美國國家儀器公司推出的虛擬儀器軟件Labview 8.20作為開發(fā)平臺，實現(xiàn)振動測試系統(tǒng)軟件部分的功能設(shè)計。Labview其實是一個圖形化的編程平臺，類似C的，對于采集和測試來講，它的特色就是在于用它編程起來比較方便，很多VI直接拿過來就可以用。但是對于一個很大的項目來講，比如幾百路的輸入輸出，中間摻雜多種數(shù)據(jù)類型的小波分析，傅里葉變換等等Labview就要方便很多了。

基于Labview平臺的軟件設(shè)計主要包括前面板和程序框圖兩方面。前面板是人機交互界面，該界面上有交互式的控件，包括用戶向程序輸入的參數(shù)、以及向用戶顯示的數(shù)據(jù)或界面。程序框圖就是編寫程序的地方，把所要實現(xiàn)功能的函數(shù)拖到程序框圖上，再根據(jù)數(shù)據(jù)流方向把函數(shù)連接起來，比文本語言直觀很多[3]。

根據(jù)模塊化的設(shè)計方法，依照系統(tǒng)所要實現(xiàn)功能可將軟件部分分為信號采集模塊、波形分析模塊、數(shù)據(jù)二次計算模塊、存儲輸出模塊[4]。

（1）信號采集模塊：

對多通道振動信號進行高速同步采集，包括對物理通道、采樣率、濾波、量程等參數(shù)設(shè)置，其同步采集程序框圖流程如圖2所示，信號采集模塊設(shè)置如圖3所示。

圖2 多通道信號同步采集程序流程圖

①通道設(shè)置：在Labview平臺前面板上創(chuàng)建虛擬通道，并在其中進行通道設(shè)置，包括物理通道選擇、輸入范圍、輸入接線端配置等。

②采樣設(shè)置：在Labview平臺前面板上設(shè)置采樣時鐘的源、采樣率、采樣模式、每通道采樣數(shù)（采樣模式為有限采樣下設(shè)置）。

③同步選擇：在Labview平臺程序框圖上對不同型號NI的多通道數(shù)采卡配置相應的同步類型，本系統(tǒng)所使用的NI USB-6366數(shù)據(jù)采集卡同步類型配置為“E系列，S系列”。

④發(fā)送觸發(fā)：在Labview平臺程序框圖上配置任務在數(shù)字信號的上升/下降沿開始采集或生產(chǎn)采樣。

⑤開始采集：在Labview平臺程序框圖上使任務處于運行狀態(tài)，開始測量或生成。

圖3 信號采集模塊設(shè)置圖

（2）波形分析模塊：

對所采集的多通道信號進行時域和頻域分析，顯示加速度、速度、位移信號波形，并實時測量振動信號的頻率、幅值、相位、失真等參數(shù)。其波形分析模塊如圖4所示。

時域分析功能是要顯示信號的時域特征，是對測試信號最簡單直觀的描述。時域信號分析函數(shù)位于Functions Palette的Signal Processing | Signal Operation面板下，該函數(shù)面板提供的分析函數(shù)有交直流成分檢測、微分、積分等。

圖4 波形分析模塊圖

頻域分析功能用來描述信號幅度和相位與頻率間的變化規(guī)律，通過頻譜可以直觀地觀察和分析信號的頻率組成。頻域信號分析函數(shù)位于Functions Palette的Transforms和Special Analysis面板下，主要包括傅里葉變化和功率譜分析等。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊：

對所測的振動信號（頻率、幅值、相位等）進行二次分析計算，以得出各測量領(lǐng)域所需要的數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)處理模塊如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)二次處理模塊圖

如在比較法振動幅相測量中對振動傳感器靈敏度進行計量校準時，振動測試分析系統(tǒng)一般同步采集參考傳感器和被校傳感器的兩路輸入電壓信號，則被校傳感器的靈敏度幅值和相位可根據(jù)公式（1）計算：

（4）存儲輸出模塊：

存儲輸出功能主要是對所測數(shù)據(jù)的及二次數(shù)據(jù)計算出的數(shù)據(jù)進行排版，并生成EXCEL文件后進行存儲打印。其存儲輸出模塊如圖6所示。

圖6 存儲輸出模塊圖

4 系統(tǒng)實驗驗證

為確保所研究的基于Labview的振動測試分析系統(tǒng)運行過程的有效性和測試結(jié)果可靠性，用該系統(tǒng)與B&K 3560C Pulse振動分析系統(tǒng)，同時采集標準振動臺上的背靠背安裝的參考加速度計8305和被校加速度計，并對測試結(jié)果（參考加速度計的標準振幅、被校加速度計的靈敏度）進行比對驗證。測試結(jié)果比對驗證見表1。

表1 測試結(jié)果的比對驗證

從測試結(jié)果對比驗證可知，所研究的振動測試分析系統(tǒng)的有效、可靠且便捷，且在測試過程，也驗證了信號采集、波形分析、數(shù)據(jù)計算和存儲輸出功能，故該系統(tǒng)可應用于實際振動測試分析。

5 總結(jié)

通過多次試驗驗證，文中開發(fā)的基于Labview的振動測試系統(tǒng)能滿足振動測試的基本需要，與傳統(tǒng)儀器相比，具有操作簡單、開發(fā)效率高、系統(tǒng)可靠性強、成本低廉等優(yōu)點。另外，本系統(tǒng)具有很強的擴展性，用戶可根據(jù)不同的測試需求以擴展相應的測試功能。

[1]紀國宜,趙淳生. 振動測試和分析技術(shù)綜述[J].機械制造與自動化,2010, 40(03)∶1-5.

[2]蒙艷玖,高鳳偉,段敬利,等. 基于Labview的振動測試分析系統(tǒng)的研究[J].廣西大學學報,2007, 32(02)∶114-117.

[3]陳錫輝,張銀鴻. Labview 8.20 程序設(shè)計 從入門到精通[M].北京∶ 清華大學出版社,2007.

[4]李立銘.基于Labview的振動測試系統(tǒng)研究[J].儀表技術(shù),2013, (02)∶5-8.

Research on Vibration Measurement and Analysis Systerm Based on Labview

LIN Xi-Jian
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

The traditional vibration test and analysis system is expensive, complex operation, a large number of test function waste and other shortcomings. For the requirements, based on NI USB-6366 portable 8-channel synchronous acquisition module and Labview 8.2 software platform, this paper studies the multi-channel vibration signal measurement and analysis system , in order to achieve the basic functions of vibration testing.

Vibration test; Virtual instrument; Synchronous acquisition; Labview

2016-09-07

林喜鑒，男，福建省計量科學研究院力學室，工程師，檢定員